车辆发动机电控系统电磁加固技术研究∗

熊沂铖 王 栋 秦 芃 于思月 归文强 袁小慧 王 龙

车辆发动机电控系统电磁加固技术研究∗

熊沂铖 王 栋 秦 芃 于思月 归文强 袁小慧 王 龙

（西安航空学院车辆工程学院 西安 710077）

论文以车辆发动机电控系统为研究对象，选择某国产型Ⅲ发动机电控系统，通过对比分析三种不同的屏蔽材料特征，选择了防波套屏蔽方案来完成对车辆发动机电控系统的电磁加固。研究结果表明：采用防波套屏蔽方案，在分支线束和主线束的穿套中，首先对分支线束防波套进行穿套和捆扎，再利用主线束防波套来包裹捆扎三个已进行捆扎的分支线束。采用截面积较大的深色线束作为接地线，在线路接地线的引出位置使用胶带热缩管加固，确保线束的抗拉性和可靠性。同时根据线束和电磁波长的比值来确定接地数量和布置方式。

电磁脉冲；防波套；屏蔽效能

AbstractBased on the vehicle engine electronic control system as the research object，in a certain type of domesticⅢ en⁃gine wiring harness，for example，by comparing the analysis of characteristics of three different shielding materials，the wave shield⁃ing set location is chosen to complete the vehicle engine electronic control system of electromagnetic reinforcement.Research results show that the wave shielding scheme，in front of the key parts for splice to suit wave set and heat shrinkable tube，for subsequent again after finished wire shielding plug assembly.In branch wire harness and the main line of the beam，first branch harness wave set is worn and banded，main beam wave set is used to package tied three tied branch wiring harness.Using cross-sectional area of the big dark wire harness as the grounding line，the line location derivation of the grounding line heat shrinkable tube，tape is used to ensure that the tensile property and reliability of wiring harness.At the same time，according to the wiring harness and electromag⁃netic wave length ratio the number of grounding and arrangement are determined.

Key Wordselectromagnetic pulse，wave set，shielding effectiveness

Class NumberU464

1 引言

车辆发动机电控系统负责车辆发动机和各控制模块的管理和通信，是保证车辆安全性的关键，同时也是最易受电磁脉冲的系统［1～3］。线束是保证系统各电子设备电磁脉冲的耦合通道，由于受到瞬态高电压和大电流的作用导致信号受到干扰，易造成电子设备的毁损。屏蔽是车辆电控系统中电磁防护的主要手段之一［4～6］，但车辆线束结构复杂、分叉多，因此对线束的屏蔽一直是个难点［7］。杨生辉针对车辆电控系统采用电磁脉冲环境模拟技术进行了效应测试和分析［8］，刘其风等通过混合仿真对电磁脉冲机理进行了分析［9］。候民胜等基于单片机建立了电磁脉冲的辐照试验，并进行了加固技术的研究［10］。

当前针对电磁脉冲的研究主要是基于传导试验法［11］和仿真模型［12］，而采用试验法成本高，试验结果具有很大的随机性，采用仿真模拟模型复杂，结果偏差较大。基于此，本文结合某国产III型柴油机线束结构实例，探析屏蔽加固技术对发动机电控系统的研究。文章建立了一整套完善的防波套屏蔽方案，并采用屏蔽层接地工艺验证了防波套屏蔽方案的应用性。

2 电磁脉冲加固技术理论分析

当前常见的电磁加固技术主要有屏蔽［13］、接地和滤波［14］，通过对电磁能量的隔离、反射、吸收作用减少系统的能量吸收，保证设备系统的工作［15］。本文主要研究屏蔽技术在电磁脉冲加固中的应用。

屏蔽技术是利用良性屏蔽体对电磁波的吸收和反射原理实现磁场间的隔离，提高系统的抗干扰能力。由趋肤效应［16］可知，利用导体的屏蔽作用能有效降低高频电磁波的穿透作用［17］。对于一些高频用电设备产生的交变电磁脉冲，同时存在电场和磁场，需考虑到远距离的电磁屏蔽。

利用屏蔽效能来评价屏蔽材料性能优劣，体现的是材料对电磁能量的一种衰减作用。通过屏蔽材料能降低电磁波强度99.9%以上，常以对数形式表现这种电磁能量屏蔽作用，单位为dB。

屏蔽效能是指屏蔽脉冲源时，观察点有无屏蔽电场（磁场）的强度比，即

上式中H0、Hs分别为无屏蔽和存在屏蔽时的磁场/电场强度（V/m）。当平面波成90°入射到无限大且薄的屏蔽板时，可表示为

其中R、A分别为反射损耗和吸收材料；A为交互反射损耗。

1）反射损耗R

对于不同类型的干扰源，在无线远距离时都可以当做是一类平面波，反射损耗的定义为

其中σr为材料电导率；uv为相对磁导率，f为电磁波频率（单位：MHz）。

2）吸收损耗A

由涡流作用引起的吸收损耗定义为

t为屏蔽体的厚度（单位：cm）。

3）多次反射损耗K

电磁波传输到屏蔽材料后，在屏蔽体内会形成多次反射，这种基于多次反射所耗散的能量称之为反射损耗K，其表达式为

式中A为吸收损耗。对于高频，吸收损耗将会比较大，对反射项K→0，可以忽略；对于低频，吸收损耗比较小，需要考虑多次反射作用。

3 发动机线束屏蔽工程实例分析

本节以某一国产Ⅲ柴油发动机为研究对象，对发动机的电控系统线束屏蔽技术进行分析，确定线束屏蔽方案的具体实施步骤和拟解决的关键性问题。

3.1 发动机线束屏蔽方案

目前主流的国Ⅲ柴油发动机主要有WP6、WP10、WP12.WP12的市场定位于高端配置。因此本文选择目前大众化的WP10型号发动机的线束布局来展开分析。WP10柴油发动机线束包括传感器和喷油器量部分，如图1和图2所示。

图1 传感器线束

图2 喷油器线束

WP10发动机线束布置在整个发动机的舱内，走线复杂，且一些线束布置地区温度普遍偏高，因而给线束屏蔽带来很大难度。若选择屏蔽袖套布置，则屏蔽线束明显增大，无法放入预先位置；采用导线布缠绕方式的工艺要求高，操作复杂；采用防波套方案则兼顾了工艺化实施和有限空间布局双方面，且能够有效防护高频脉冲的电磁波干扰。基于此，本文选择防波套方案来实现WP10发动机的电磁波屏蔽。

由发动机舱内结构可知，线束防护重点要关注以下几点：1）针对线束主体所采取的屏蔽保护，线束主体与直径差距较大的分叉处屏蔽衔接。2）线束和传感器连接插件的连接，屏蔽层与线束末端接地设计。3）高温、强震环境下绝缘层的密封性和可维护性。4）导线信号传输过程中的稳定性。

针对WP10舱内需解决的重点问题，确定防波套方案的主体实施程序，即在传感器和执行器接件未安装前开始执行，如下图为已安装ECU的传感器和喷油器材料，在进行插接件组装前对防波套和热缩管进行套装，完成线束屏蔽后再进行后续插接件的组装。

图3 WP10线束原材料

3.2 线束屏蔽方案实施

WP10发动机电控系统内线束布置复杂，在具体实施过程中需逐层考虑，选定主线束为基准点，确定不同直径和线束长度下的各分支接入点，以此为基础，确定符合规格的防波套以及相应的热缩管材料。具体步骤主要有以下几点。

1）分支线束直径和长度的确定

以WP10发动机电控系统中连接于ECU上的主线束为基础点，确定主线束与分支上各连接端口的直径和长度，根据屏蔽方案确定防波套的尺寸规格。防波套的主要型号和规格有：P1*2、P3*6、P4*6、P6*10、P10*16、P16*24、P24*30、P30*40等。电控系统防波套的编织密度应不低于90%。

图4 传感器线束示意图

以某WP10型发动机中传感器和喷油器的线束布置图为例。整个电控系统分为两个线束主线，其中喷油器线束上连接着个计量单元、流量单元、测控单元等分支线束；传感器线束上连接各类压力、温度传感器、曲轴传感器、油门踏板传感器等。各类传感器和喷油器线束材质规格见表1所示。

图5 喷油器线束示意图

表1 线束尺寸和防波套型号

2）线束原材料裁剪

根据WP10发动机线束尺寸要求，划分线束的主干和分支部分，根据上节中确定的传感器和喷油器主干和分支长度和直径来确定规格尺寸和装配位置，并进行捆扎标记，对相应线束进行裁剪，得到符合要求的传感器线束。在进行线束划分过程中，应提前划分分支线束位置。

3）按照屏蔽方案实施

完成线束标定裁剪后，在进行防波套屏蔽方案实施过程中，要注意线束末端接地和连接分叉处的处理。

图6为主线束与分支线束连接处的三个分叉，主线束采用24*30mm的防波套，各分支线路部分的防波套采用18*26mm的规格形式，在进行分支线束和主线束的穿套中，首先对分支线束防波套进行穿套和捆扎，利用主线束防波套来包裹捆扎三个已进行捆扎的分支线束。为避免分支线束捆扎过程中可能产生的隆起问题，对分支线束进行错位捆扎。

图6 分叉部分处理

图7 为线束末端的接地处理，要特别注意分线束末端接地线部分的引出加固。通常采用截面积较大的深色线束作为接地线，在线路接地线的引出位置使用胶带热缩管加固，确保线束的抗拉性和可靠性。

图7 线束末端处理

完成各线束防波套的安装和热缩管的穿套工作后，获得一个完整的线束结构，如图8和图9所示。

图8 防波套穿套线束

图9 热缩管穿套

3.3 屏蔽层接地设计

根据《接地、搭接和屏蔽设计的实施》GJB 1210-91中屏蔽层接地标准进行了规定，当车辆发动机电控系统线束长度在0.15倍波长以下时，线束的屏蔽层为单点接地。当线束大于0.15倍波长，则间隔0.15倍波长距离采取多点接地。当多点接地在实际使用过程中存在一定难度时，可减少屏蔽层接地数量的布置，但至少应该保持两端接地。同时接地线长度应该尽量小，且接地电阻不得大于15MΩ。

4 结语

作为车辆行驶安全和提供动力的关键，车辆发动机电控系统易受到电磁脉冲的影响，造成工作稳定性下降，影响到行驶安全。文章在分析脉冲特性的基础上，进行了车辆发动机电控系统电磁加固技术的分析，以某一国产型发动机线束为分析对象，针对三种不同的屏蔽材料特性进行研究，选择采用了防波套屏蔽方案来验证电磁加固技术的有效性。针对发动机电控系统采取的不同类型线束耦合途径，采取防波套屏蔽方案，并对线束分叉、线束屏蔽层接地的具体实施工艺进行了讨论，研究结果主要有：

1）在传感器和执行器接件未安装前开始执行电磁屏蔽加固技术，在实施防波套主体实施过程中，采取逐层连接的形式，选定主线束为基准点，确定不同直径和线束长度下的各分支接入点。

2）在进行插接件组装前对防波套和热缩管进行套装，完成线束屏蔽后再进行后续插接件的组装。进行分支线束和主线束的穿套中，首先对分支线束防波套进行穿套和捆扎，再利用主线束防波套来包裹捆扎三个已进行捆扎的分支线束。

3）采用截面积较大的深色线束作为接地线，在线路接地线的引出位置使用胶带热缩管加固，确保线束的抗拉性和可靠性。

［1］殷国鑫.浅谈发动机电控系统及其原理［J］.应用技术，2013，1（228）：73-74.

YAN Guoxin.Introduction to engine electronic control sys⁃tem and its principle［J］.Journal of Applied Technology，2013，1（228）：73-74.

［2］张晋潮.滤波技术在靶场抗电磁干扰中的应用［J］.山西电子技术，2010（4）：3-4.

ZHANG Jichao.Filtering technology in the range of the ap⁃plication of the electromagnetic interference［J］.Journal of Electronic Technology in Shanxi，2010（4）：3-4.

［3］王远，郭宜忠，宫迅勋.电磁脉冲武器对雷达的损伤效应及防护措施［J］.航天电子对抗，2007，22（6）：17-19.

WANG Yuan，GUO Yizhong，GONG Xunxun.Electromag⁃netic pulse weapon damage effect and protective measures of radar［J］.Aerospace Electronic Countermeasures，2007，22（6）：17-19.

［4］Wang X，Wildman R A，Weile D X，et al.A finite differ⁃ence delay modeling approach to the discretization of the time domain integral equations of electromagnetics［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagat，2008，56（8）：2442-2452.

［5］Andriulli F P，Cools K，Olyslager F，et al.Time domain Calderón identities and their application to the integral equation analysis of scattering by PEC objects part II：sta⁃bility［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagat，2009，57（8）：2365-2375.

［6］Asghar Keshtkar，Ali Kalantarnia，Ahmad Keshtkar.The effect of shield orifice on the electromagnetic interference factor in HPM［J］.Electromagnetic Launch Technology 14th Symposium，2008：1-6.

［7］美国国家研究理事会系统委员会著，李耐和（译）.美国未来海军打击群C4ISR系统［M］.北京：国防工业出版社，2009：21-33.

America’s national research council the future naval fleet committee the C4ISR system，Li Nai and（eds）.The fu⁃ture naval combat group of C4ISR system［M］.Beijing：na⁃tional defence industry press，2009：21-33.

［8］杨生辉，唐彦峰，刘祥凯，等.核电磁脉冲对车辆装备电控系统辐照效应研究［J］.军事交通学院学报，2010，12（4）：46-51.

YANG Shenghui，TANG Yanfeng，LIU Xiangkai，et al.Study of vehicle equipped with electric control system of nuclear electromagnetic pulse radiation effect［J］.Journal of Military Traffic Institute，2010，12（4）：46-51.

［9］刘其风，赵晓辉，孙晓颖.基于强电磁脉冲的车辆电磁屏蔽效能仿真分析［J］.系统仿真学报，2010，22（12）：3008-3011.

LIU Qifeng，ZHAO Xiaohui，SUN Xiaoying.Based on the strong electromagnetic pulse electromagnetic shielding ef⁃fectiveness of vehicle simulation analysis［J］.Journal of System Simulation，2010，22（12）：3008-3011.

［10］侯民胜，问建.电子系统的电磁脉冲效应及防护［J］.航天电子对抗，2007，23（3）：15-24.

HOU Minsheng，WEN Jian.Electronic systems，electro⁃magnetic pulse effect and protective［J］.Aerospace Elec⁃tronic Countermeasures，2007，23（3）：15-24.

［11］范东浩.飞机连接器尾附件屏蔽接地设计介绍［J］.民用飞机设计与研究，2010：45-50.

FAN Donghao.Shielding grounding aircraft tail connec⁃tor design introduced［J］.Journal of Civil Aircraft Design and Research，2010：45-50.

［12］孔慧芳.电控机械式自动变速器中传动与控制的关键技术研究［D］.合肥：合肥工业大学，2008：33-36.

KONG Huifang.Electric transm ission and control of auto⁃mated mechanical transmission is the key technology re⁃search［D］.Hefei：Hefei University of Technology，2008：33-36.

［13］朱建良，金宁治，赵鹏舒，等.电控机械式自动变速车辆发动机转速控制系统的研究［J］.自动化技术与应用，2011，08：18-21.

ZHU Jianliang，JIN Ningzhi，ZHAOPengshu，et al.Me⁃chanical automatic transmission vehicle electronic con⁃trol engine speed control system of the study［J］.Automa⁃tion Technology and Application，2011，08：18-21.

［14］Nozad Karim，Jingkun Mao，Jun Fan.Improving Electro⁃magnetic Compatibility Performance of Packages and SiP Modules Using a Conformal Shielding Solution［C］//2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnet⁃ic Compatibility，2010：56-59.

［15］金涵宇.基于湿式离合器的商用车AMT动力传动系统一体化控制技术研究［D］.长春：吉林大学，2016：8-10.

JIN Hanyu.Commercial vehicles based on wet clutch AMT powertrain control system integration technology re⁃search［D］.Changchun：Jilin University，2016：8-10.

［16］曾德彬.基于高功率微波的车辆拒止效应研究［J］.电子世界，2016，18：60，62.

CENG Debin.Based on the vehicle denial effect of high power microwave research［J］.Journal of Electronic World，2016，19：60，62.

［17］丁文涛，刘大维，郑旭光，等.基于车辆动力学模型的AMT在环仿真实验系统研究［J］.现代电子技术，2010，19：195-197，200.

DING Wentao，LIU Dawei，ZHENG Xuguang，et al.Based on the vehicle dynamics model of AMT in the loop simulation system research［J］.Journal of Modern Elec⁃tronic Technology，2010，12：195-197，200.

Research on Electrom agnetic Reinforcem ent Technology of Vehicle Engine Electronic Control System

XIONG Yicheng W ANG Dong Q IN Peng YU Siyue GUI W enqiang YUAN Xiaohui W ANG Long
（School of Vehicles and Medical Electronic Engineering，Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077）

U464

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.040

2017年3月9日，

2017年4月19日

中央高校基本科研业务费专项资金项目（编号：310822171116）；西安航空学院校级科研项目（编号：2017KY1217）资助。

熊沂铖，男，硕士，助教，研究方向：发动机电控。王栋，硕士，讲师，研究方向：车辆工程。秦芃，硕士，助教，研究方向：车辆工程。于思月，硕士，助教，研究方向：车辆工程。归文强，硕士，助教，研究方向：车辆工程。袁小慧，硕士，助教，研究方向：车辆工程。王龙，硕士，助教，研究方向：车辆工程。